jyx123321的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/jyx123321 高分子材料/复合材料/物理凝胶 山东大学材料科学与工程学院教授

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复材本是同林鸟高温来时各自飞 精选

已有 4157 次阅读 2023-7-3 10:47 |系统分类:观点评述

昨天上午我们课题组在校人员一起做了基于各种钢网的锡膏植球实验,其中用到了某一规格的单面覆铜板(即铜箔和电子玻璃纤维编织布增强环氧树脂基复合材料压合成型的双层板)。当铜箔面在上方、电子玻璃纤维编织布增强环氧树脂基复合材料(下面以工业常用代号FR4来指代)在下方置于加热台上加热时发生了哭脸”翘曲现象,且翘曲程度随温度升高而加剧,尤其在200以上的高温时,翘曲程度显著增大。

关于该现象,我修改一句老话夫妻本是同林鸟大难来时各自飞”为“复材本是同林鸟高温来时各自飞”,并结合我们课题组在2020年的一批实验测试数据,解释了上述的有趣现象:

铜的热膨胀系数是17.6ppm/K,且在从室温到300的温度范围内近似为与温度无关,基本呈现各向同性特点。FR4介电层材料的热膨胀系数呈现典型的各向异性,且在树脂从玻璃态转变为高弹态时发生特别显著的变化。具体来说,FR4介电层材料的面内热膨胀系数从玻璃态的16.2ppm/K剧烈减小到高弹态的6.2ppm/K;相应地,厚度方向热膨胀系数从玻璃态的46.1ppm/K剧增到高弹态的266.6ppm/K。在任何状态下,环氧树脂的各向同性热膨胀系数都远大于玻璃纤维的各向同性热膨胀系数;环氧树脂的各向同性模量都远小于玻璃纤维的各向同性模量;在玻璃态的时候,环氧树脂的模量(比高弹态时的)大、环氧树脂和玻璃纤维之间的界面强度高,因此环氧树脂的应力传递能力强,环氧树脂和玻璃纤维的协同变形能力强,本身热膨胀系数很小的玻璃纤维的本性不能彰显而受拉膨胀;在升温到200时,电子工业用的高温固化高性能环氧树脂进入高弹态,这时候环氧树脂的模量(比玻璃态时的)显著降低、环氧树脂和玻璃纤维之间的界面强度也显著降低,因此环氧树脂的应力传递能力大幅度降低,环氧树脂和玻璃纤维的协同变形能力显著变差,本身热膨胀系数很小的玻璃纤维的本性得以彰显,其在面内方向的表观热膨胀系数显著变小;这时候环氧树脂不能很有效地带动玻璃纤维编织布面内膨胀,就把其很大的体积膨胀效应在厚度方向上体现出来(原因是厚度方向上环氧树脂受到玻璃纤维的力学约束作用很弱)。

基于我们课题组的实验数据和复合材料热-力耦合作用机理,就能理解上述的单面覆铜板在受热时的翘曲形貌特征和变化规律了。

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